Jatigede大壩施工期心墻孔隙水壓數值模擬研究

翟 旻， 王 鵬

(四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610065)

0 引 言

心墻堆石壩是由相對不透水或弱透水的土質心墻和抗剪強度較高的堆石體壩殼組成的。堆石壩心墻在施工碾壓時飽和度達到80%以上時，心墻中的孔隙水壓消散很慢，施工中會產生的高孔隙水壓將降低心墻的有效應力，從而影響壩體的穩定和強度[1-3]。本文以監測資料為基礎，通過建立三維固結數值模型分析施工期礫石土心墻的應力應變及孔隙水壓消散情況，并與實測資料進行對比分析，以期更深入理解礫石土心墻的應力應變和孔隙水壓特征及形成機制。

1 工程概況與監測設計

1.1 工程概況

Jatigede水庫工程位于印尼西爪哇省INDRAMAYU縣境內，擋水大壩為粘土心墻堆石壩。大壩壩體斷面分為6個區，最大壩高110 m，壩頂高程265 m。

1.2 壩料情況

大壩心墻料屬高液限粉土，紅土化、具團粒結構，壓實干密度底，壓縮試驗顯示高應力下會發生大變形，壩體其它分區由安山巖加工而成，石料飽和抗壓強度64.79 MPa～ 104.19 MPa，均大于60 MPa，為堅硬巖石。

由于本工程地處熱帶地區，雨季不宜施工，旱季心墻粘土含水率也較高，因此，本工程心墻基本是在最優含水率的濕側進行填筑，施工期心墻飽和度高于90%。由非飽和度土力學可知，當土體中的含水率很高時，土體中的氣相很小且被液相所包圍，構成準二相體系。因此，在本論文中將心墻近似地視為處于飽和狀態。

1.3 監測設計

為監測壩體內應力應變，及孔隙水壓情況，本工程在最大壩高斷面樁號1+100剖面處設置的監測設備包括：垂直測斜管、界面應力計、總應力計、土壓力計組和滲壓計。樁號1+100剖面的監測布置圖如圖1所示。

2 施工期心墻應力應變及孔隙水壓數值模擬

圖1 樁號1+100處監測剖面圖

2.1 計算原理

根據土的變形原理，土的初始變形和固結效應可以采用Biot固結理論[4]進行描述，該理論通過建立土體的彈性平衡方程式，同時根據土體排除的水量等于土體骨架體積改變的關系，建立了連續方程，兩者聯立可以同時求解出土體中的應力、應變和孔隙水壓，Biot固結理論的基本方程如下。

平衡方程：

(1)

連續方程：

(2)

上式中：u、v和w為土體三個方向的位移，σ為孔隙水壓，k為滲透系數，ε為土體的體積應變，G為剪切模量，υ為泊松比，α為與土體彈性參數相關的常數。

但Biot理論假定土體骨架是線彈性的，不能準確地描述堆石壩中土體的非線性應力應變特性。根據國內工程經驗，本文采用Duncan-Chang模型[4]確定Biot基礎方程中的變形模量參數，再用有限元的基本理論求解Biot方程。

2.2 模型與參數

在壩體應力應變參數的選擇上，需要考慮工程規模、施工工期及環境氣候等因素。本工程位于熱帶地區，雨季降雨頻繁，不能進行心墻填筑，即使是旱季空氣濕度也較大，土質心墻不易翻曬，填筑時含水率基本都高于最優含水率。另外，本工程壩體施工工期長達2年4個月，施工過程中，壩體內應力調整明顯，心墻存在相當程度的排水固結。參照相關文獻[5]，本工程采用固結不排水剪模型參數進行數值模擬，壩體各個分區的模型參數如下表1所示。

根據工程的實際施工進度，壩體填筑過程如下圖2所示。壩體高度110 m，計算模型中劃分為14層，每層平均厚度7.86 m，以模擬壩體的分層填筑。由于壩體除心墻以外，滲透系數均大于10-4cm/s，孔隙水壓消散很快，因此，在計算模型中設置為非固結單元，而心墻土體為固結單元。

表1 壩體各分區E-B模型應力應變參數表

圖2 最大斷面處壩體填筑過程圖

圖3 竣工期(2014年9月)最大斷面壩體第一主應力圖

圖4 蓄水前(2015年9月)最大斷面壩體第一主應力圖

2.3 計算結果

(1)壩體應力

竣工期和蓄水前壩體內部大主應力最大值均出現在壩體底部心墻兩側的反濾過渡區，分別為2.69 MPa和2.86 MPa，相同高程的心墻內部第一主應力(總應力)卻只有1.34 MPa和1.26 MPa，反濾過渡層存在應力集中，應力等值線在反濾過渡層與心墻之間呈駝峰狀分布，出現明顯的應力拱效應。

對比竣工期和蓄水前心墻底部和相同高程處心墻兩側反濾料區中的變形和第一主應力可以看出，從竣工期(2014年9月)到蓄水前(2015年9月)，壩體心墻固結沉降，心墻有向下變形的趨勢，而反濾過渡料由于變形模量高于心墻料，在其與心墻接觸的上下游表面產生剪應力，“鉗制”了心墻的向下變形。從而出現從竣工期到蓄水前心墻的總應力降低的情況，這說明心墻固結過程中消散的孔隙水壓沒有完全轉換為心墻本身的有效應力，有部分應力通過“拱效應”產生的剪應力傳遞給到了壩殼料區。

(2)心墻孔隙水壓

竣工期心墻內的孔隙水壓呈“中間高兩側低，底部高頂部低”分布，孔隙水壓與心墻內部至兩側反濾過渡料滲透路徑的長度成反比，符合土體固結理論。心墻內最大孔隙水壓點位于壩高1/5之一壩體高度中部，最高壓力點沒有位于壩體底部的原因是計算模型中巖石地基滲透性大于10-5cm/s，可消散部分孔隙水壓。從圖5中可見，竣工期心墻內計算最高孔隙水壓水頭為75 m，壩體填筑到頂后的一年內，心墻固結沉降，最高孔隙水消散為38.5 m。

圖5 竣工期(左)和蓄水前(右)心墻內孔隙水壓分布圖

3 心墻應力及孔隙水壓對比分析

本文根據工程特點選擇心墻底部壩軸線與建基面交點處作為代表，分析施工開始至蓄水前大壩的應力應變及空隙水壓力隨施工進度的變化情況。該處埋設有土壓力計IP6，可反應心墻底部隨填筑高度變化的心墻基底總土壓力。在IP6處還埋設有P21滲壓計，用于反應該處孔隙水壓的變化情況。IP6所測得總土壓力減去P21監測的滲壓即為心墻底部Z向土壓力的有效應力，由于該處荷載基本對稱，該值也近似與第一主應力相同。IP6和P21實際觀測值與計算值對比情況如圖6及圖7所示。

由圖6可見，心墻底部總應力監測值和計算值歷時曲線反應出相同的規律。從2012年5月至2012年11月大壩填筑的第一旱季期間壩體上升速度較快，當大壩頂高程上升至213 m時，心墻底部豎向總應力隨大壩增高逐漸增大至1.1 MPa；2012年11月至雨季末的2013年7月(該年度雨季較長)大壩填筑上身速度慢，心墻底部總應力呈下降趨勢，原因在于大壩上部加載速度慢，而心墻中的孔隙水壓則在不斷消散，部分心墻的自重應力通過反濾過渡料與心墻之間的剪應力傳遞轉移到壩殼。從2013年8月開始大壩恢復填筑至2013年11月大壩填筑至242 m，心墻底部總應力緩慢上升至1.3 MPa；第二個雨季后，大壩填筑到頂高程266 m，由于本階段大壩填筑速度慢且壩體頂部體積小，加載相對較小，心墻底部的總應力增加幅度較小，心墻底部豎向總應力在壩體填筑到頂時達到最大值1.4 MPa，隨后在大壩蓄水之前大壩心墻一直處于固結排水階段，由于心墻與壩殼料之間的“拱效應”，在這個階段心墻底部總應力呈下降趨勢，但由于心墻滲透系數很小，孔隙水壓消散很慢。

圖6 心墻底部豎向總應力監測值與數值計算對比圖

圖7 心墻底部孔隙壓力監測值與數值計算對比圖

從圖7可見，相較于心墻底部總應力實測值與計算值的吻合情況，心墻底部的孔隙水壓計算值歷時曲線與實測值相差較大，主要不同體現在孔隙壓力計算值隨壩體增高增大得更快，在第一個旱季連續施工末期，孔隙水壓計算值接近0.8 MPa，而實測值則為0.6 MPa，而2014年5月壩體填筑到頂至大壩蓄水前，孔隙水壓計算值較實測值消散速度更快，至2015年8月蓄水前，心墻底部孔隙壓力實測值維持在0.6 MPa，而孔隙壓力計算值則消散為0.4 MPa。但總體上來看，心墻底部孔隙壓力計算歷時曲線所反映的孔隙壓力形成和消散規律與實測曲線相同。施工前期河谷寬度小，壩體填筑上升速度快，心墻底部孔隙水壓來不及消散，孔隙壓力增加快并達到一個峰值，第一個雨季大壩上升速度慢，孔隙水壓不但不上升反而緩慢消散，再進入第二個旱季大壩繼續填筑，孔隙水壓相應增大至大壩填筑到頂時達到最大值。最后從填筑完成期到蓄水前，心墻停止加載，處于固結排水狀態，心墻底部孔隙水壓逐漸消散。

圖8 心墻底部有效應力監測值與數值計算對比圖

圖8顯示了心墻底部豎向有效應力計算值與實測值的對比情況。從圖中可見，在第一個旱季壩體填筑速度較快的階段，數值計算所得孔隙壓力偏高，造成心墻底部有效應力較實測值低。但到壩體填筑到頂時，計算值與實測值逐漸相近，而壩體填筑到頂之后到水庫蓄水前，數值計算孔隙水壓消散得比實測值快，因而有效應力也相應地增長得更快。到蓄水前，心墻底部的豎向有效應力實測值為0.6 MPa，而計算值則為0.9 MPa。

4 結 論

(1)心墻與壩殼料之間的模量差產生的“拱效應”將顯著降低心墻內的豎向應力。從本工程來看，心墻底部的總應力實測值約1.3 MPa，遠小于110 m高土體的靜土壓力。

(2)施工期心墻內將殘生高孔隙壓力(最大0.82 MPa)，導致心墻內的有效應力很低，心墻的抗剪能力很差。因此，設計中應重視壩體施工期的壩體的臨時穩定，根據大壩填筑加載速度和心墻內孔隙水壓生產和消散情況，選擇代表性施工剖面驗算大壩在施工期的穩定性。

(3)基于duncan-chang本構模型的Biot固結方程可以通過有限單元法進行求解，從而獲得堆石壩施工全過程心墻應力應變和孔隙壓力的演變情況。從本文的計算看，數值計算可以較準確地模擬壩體變形，并反映心墻內應力和孔隙水壓變化規律，但心墻孔隙水壓的計算值存在較大偏差，原因可能是所采用的是飽和土的Biot固結方程，土石壩心墻在填筑過程中含水率雖然接近飽和，但心墻土體仍是三相狀態，土體顆粒間包含有氣體，飽和土的Biot固結理論不能準確反映土體顆粒間存在二相流時的孔隙水壓演變情況。非飽和土的固結理論及求解方法還值得進一步研究。